FBG传感器在节点试验中的应用研究

戴绍斌， 傅 冬， 朱 健

(武汉理工大学设计研究院， 湖北 武汉 430070)

FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)传感器是指以光纤为载体，在光纤内部的局部区域写入光栅，利用该区域光栅反射或透射布拉格波长光谱的相关特性来实现对被测结构的应变测量。FBG传感器与传统的电传感器相比，在传感网络应用中具有非常明显的技术优势：(1)可靠性高、抗干扰能力强、抗腐蚀能力强；(2)能在恶劣的化学环境下工作，信号损失极小；(3)安装过程较为方便快捷，使用过程中不易损毁[1～4]。由于具备了以上几个特点，FBG应变传感器在结构试验与检测中有着很好的应用前景[5,6]。

1 FBG的传感原理

光纤布拉格光栅是一种波长选择反射器，光栅的布拉格波长由下式决定:

λB=2nΛ

(1)

式中，λB为布拉格波长，n为纤芯的有效折射率，Λ为纤芯折射率的调制周期。该波长的光波将沿来路发生反射。当宽带光源从光纤光栅传感器一端入射时，波长满足(1)式的光波就会发生布拉格反射，而其余波长的光波将照常传播。当光纤光栅所处环境的物理量发生变化时，如当光纤布拉格光栅受到外力作用产生变形时，光栅周期将发生变化，同时有效折射率也会发生变化，从而使反射光的波长λB发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化[7～9]。

2 FBG应变传感器在钢梁与混凝土墙连接节点抗震性能试验中的应用

试验中采用的FBG应变传感器分表面式FBG应变传感器(图1)与内埋式FBG应变传感器(图2)两种。表面式FBG应变传感器是将光纤光栅封存于一个直径为3 mm的起保护作用的金属套管中,而光纤光栅的两端则分别固定在传感器两端的金属板上,使用时将这两块金属板沿应变方向对称粘贴在待测区域的两端，当待测区域发生变形时,两块金属板的相对位置也随之改变,这就使得光纤光栅产生伸缩变形,从而实现对应变的测量。内埋式FBG应变传感器，是将光纤光栅封存于一个直径为8 mm的金属套管中，套管的两端分别固定在两个直径28 mm、厚10 mm的金属圆盘上，使用时须在浇注混凝土前将传感器固定于混凝土内应变待测处，将光纤套管引出混凝土外部即可。该传感器只能测量混凝土内部的单向应变，使用时须沿待测方向固定牢，以免传感器在混凝土的浇注过程中发生偏转，从而影响其测量的可靠性[10]。

图1 表面式FBG应变传感器

图2 内埋式FBG应变传感器

钢梁与混凝土墙连接节点抗震性能试验共设计6个构件,采用两种节点形式，钢梁与混凝土墙的纯高强螺栓连接节点试件3个(编号JJ- 4、JJ-5、JJ-6，如图3所示)，钢梁与混凝土墙的栓焊刚接节点试件(编号GJ-1、GJ-2、GJ-3，如图4所示)。表面式FBG应变传感器被布置到试件JJ-4、JJ-5 、JJ-6和GJ-2的一个表面测点进行应变测量，同时，为了验证表面式FBG传感器的测量效果，在该测点处还布置了一个电阻应变片进行同步测量。内埋式FBG应变传感器被布置到试件GJ-1、GJ-2、JJ-4和JJ-5的一个内部测点，以对该测点处混凝土局部应变进行测量，同时，在该测点处还布置了一个电阻应变片进行同步测量，以对传感器的测量结果进行对比分析。采用FBG解调仪采集每一采集时刻的波长λ,根据下式进行换算可得到相应的应变值。

ε=(λn-λ0)·k

(2)

式中,λn为第n次数据采集时刻所记录的传感器波长;λ0为传感器的初始波长;k为传感器的灵敏度系数(表1、表2)。用静态应变采集仪采集电阻应变片的应变。每一个加载循环过程中进行4次(原位1次,正向加载结束1次,卸载结束1次,反向加载结束1次)数据采集。

图3 钢梁与混凝土墙的纯高强螺栓连接节点

图4 钢梁与混凝土墙的栓焊刚接节点

构件编号初始波长k值JJ-412994391.156JJ-512994751.163JJ-612994781.170GJ-212887241.242

表2 各内埋式FBG应变传感器的相关参数

3 FBG应变传感器测得数据与应变片测得数据对比分析

为了比较FBG应变传感器和电阻应变片两种测量方法的差异,对数据进行了相关性分析,并得出了相关系数(相关系数是说明两个现象之间相关关系密切程度的统计分析指标，其范围在[-1，+1]之间)。相关系数大于零时为正相关，相关系数小于零时为负相关，相关系数等于零表示不相关。相关系数的绝对值越大，则两个变量的相关程度越高。按照概率论，两因素观测数据列{xk}和{yk}(k=1，2，…)的相关系数计算公式为：

(3)

3.1 表面式FBG应变传感器测得数据与应变片测得数据的对比分析

对JJ-4、JJ-5 、JJ-6和GJ-2表面测点处传感器所测数据与应变片所测数据进行相关性分析,根据式(3)得出了相应的相关系数(表3) 。

表3 表面测点处所测数据的相关系数

从表3看出，数据的相关系数均在0.95以上,最大为0.99,说明这两组数据的相关程度非常高,即表面式FBG应变传感器和电阻应变片在同一测点处测得的应变值是基本一致的。以加载级数为横坐标，应变值为纵坐标，可绘得两条曲线，曲线的吻合程度便可直观地反映2组数据的近似程度。图5～图8分别为根据4个构件的相应实测数据所做出的数据曲线图。

图5 GJ-2表面测点处所测数据对比曲线

图7 JJ-5表面测点处所测数据对比曲线

图8 JJ-6表面测点处所测数据对比曲线

从以上四图可以看出,表面式FBG应变传感器测得的数据与电阻应变片测得的数据基本吻合。由于在试验过程中存在着多种干扰因素，并且测量本身就具有一定的误差,所以可以认为表面式FBG应变传感器的测量效果，已达到电阻应变片的效果。

3.2 内埋式FBG应变传感器测得数据与应变片测得数据的对比分析

对试件GJ-1、GJ-2、JJ-4和JJ-5混凝土墙内部测点处所测得的两组数据进行了相关性分析，根据式(3)得出了相应的相关性系数(表4)。

表4 内部测点处所测数据的相关系数

同样以加载级数为横坐标,以应变值为纵坐标做数据曲线 (图9～图12)。

图9 GJ-1内部测点处所测数据对比曲线

图10 GJ-2内部测点处所测数据对比曲线

图11 JJ-4内部测点处所测数据对比曲线

图12 JJ-5内部测点处所测数据对比曲线

从以上四图可以看出,在整个加载前期，两组数据的相关程度都是比较高的，但是在加载后期随着加载级数的增加，两组数据的偏离程度越来越大，从而导致了两组数据的整体相关系数大大降低。由于混凝土内部应变的测量本来就比较困难，在墙体混凝土浇注初期电阻应变片不可避免地受到周围潮湿环境的影响，相比用电阻应变片测量构件的表面应变来说，其测量效果必然会大打折扣；另外由于内埋式FBG应变传感器将光栅光纤封存于金属套管内，因此大大减少了混凝土内部复杂环境对光纤光栅可能造成的影响，这就导致了两者测量结的不一致。

4 结 论

(1)FBG应变传感器受外界环境影响小，安装和使用过程中不易损坏，这一点大大优于电阻应变片。

(2)电阻应变片所采用的应变采集仪调试复杂且容易出现数据不稳定现象，而FBG应变传感器采用波长解调仪进行数据分析，稳定性高，操作简单。

(3)对于构件表面应变的测量，表面式FBG应变传感器测出的数据与电阻应变片测得的数据基本一致，这一结果验证了表面式FBG应变传感器的可用性与适用性。

(4)对于混凝土内部的应变测量，在整个加载的前期，内埋哑铃式FBG应变传感器所测数据与应变片所测数据基本一致，但在加载后期两者存在较大差别。

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